城市轨道交通牵引供电及电力技术探究

辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 芮 安

1 城市轨道交通的牵引供电及电力技术的重要性

城市轨道电力系统（如图1所示）较为重要，而城市轨道交通的牵引供电及电力技术是其安全、高效及可靠性的重要技术支撑。有关单位在对我国铁道电力牵引（包括城市轨道交通）情况进行了调查，并根据调查结果绘制了统计图。城市轨道交通的运营过程中，电力系统直接关系到列车的行驶速度、加速度、制动性能和能源消耗等方面，而牵引系统则直接关系到列车的牵引力和运行稳定性。因此，牵引供电及电力技术的安全、高效和可靠性直接影响到城市轨道交通的运营质量和服务水平。

图1 城市轨道牵引电力系统

在城市轨道交通牵引供电技术中，常用的有第三轨供电、网式架空线供电和无线电供电等。不同的供电方式各有优缺点，例如第三轨供电的稳定性较强，但是需要地面设备，对城市空间的利用率较低；网式架空线供电的供电范围广，但是需要较高的架空空间，不适合在密集城区使用；无线电供电技术可以减少线路设备，但是成本较高[1]。

在城市轨道交通的电力技术中，常用的有直流电力技术和交流电力技术。不同的电力技术也各有优缺点，例如直流电力技术具有电能传输损耗小、控制精度高等优点，但是需要的设备成本较高；交流电力技术具有成本低、设备简单等优点，但是电能传输损耗较大。

值得一提的是，车引供电计算在城轨供电系统的设计工作中占有重要的地位，是进行供电系统设计必须进行的一项工作，其关系到供电系统构成、车引供电方式、车引变电所设置、牵引整流机组容量等多项系统设计的关键因素。下文以计算单边供电区段馈电线平均电流值为例进行说明：ig=i1+i2+…+in，式中：i1+i2+…+in为某瞬时由馈电线供电的各列车瞬时电流值，单位为A。馈电线的平均电流计算公式如下：

式中：igj为馈电线第j 时刻的瞬时电流，单位为A；n 为所取时刻的数量。

2 牵引供电技术

2.1 城市轨道交通牵引供电技术的分类和原理

城市轨道交通的牵引供电技术是指，为城市轨道交通列车提供动力所使用的电力供应技术，其主要分类包括第三轨供电、网式架空线供电和无线电供电等[2]。第三轨供电技术（如图2所示）：第三轨供电技术是指通过在轨道旁边，或中间安装一条带电的第三轨来为列车提供动力。列车通过接触鞋与第三轨接触，以获得所需的电能。该技术的优点是稳定性强、电压损耗小，但需要地面设备，占用空间大，对城市空间的利用率较低。此外，由于第三轨供电技术的电压较低，因此需要通过变电站将电压升高，以满足列车的牵引需求。

图2 第三轨供电

网式架空线供电技术：网式架空线供电技术是指通过在轨道两侧，或中间架设架空电缆来为列车提供动力。列车通过接触线夹与架空电缆接触，以获得所需的电能。该技术的优点是供电范围广，适用于长距离的城市轨道交通系统。但需要较高的架空空间，不适合在密集城区使用。此外，由于架空电缆的电压较高，因此需要通过变电站将电压降低，以满足列车的牵引需求。

无线电供电技术：无线电供电技术是指通过无线电波向列车提供电能，不需要通过地面设备或架空线来传输电能。该技术可以减少线路设备，降低了系统的安全风险，但成本较高，需要一定的技术支持。该技术的原理是通过将电能转换为高频电磁波，然后通过天线向列车发送电磁波，列车通过天线接收电磁波，将其转换为电能供给列车。该技术需要考虑电磁波的传输损耗和列车接收装置的设计等问题。

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2.2 不同城市轨道交通运营时的牵引供电技术选择

不同城市轨道交通运营时的牵引供电技术选择受多种因素影响，包括城市的实际情况、经济条件、技术水平、环境保护等方面。城市的地形、地貌、城市规划等因素会对牵引供电技术选择产生影响。例如，地势较高的城市可采用第三轨供电技术，因为该技术的电压较低，适合在高地上使用。而地势较低的城市可以采用网式架空线供电技术，因为该技术的电压较高，适合在平地上使用[3]。

其次，城市轨道交通的牵引供电技术选择也受到经济条件的影响。不同的牵引供电技术的建设和运营成本不同，需要根据城市的经济条件选择适合的技术。例如，第三轨供电技术的设备成本较高，但运营成本较低，适合在经济条件相对较好的城市使用；而无线电供电技术的设备和运营成本都较高，适合在经济条件较为充裕的城市使用。另外，城市轨道交通的牵引供电技术还受到技术水平的影响。不同的技术需要不同的技术支持和人才积累，需要根据城市的技术水平选择适合的技术。例如，无线电供电技术需要较为先进的技术支持和人才积累，适合在科技含量较高的城市使用。

最后，城市轨道交通的牵引供电技术选择还需要考虑环境保护因素。不同的技术对环境的影响不同，需要根据城市的环境保护要求选择适合的技术。例如，无线电供电技术对环境的影响较小，适合在注重环境保护的城市使用。

3 电力技术

3.1 城市轨道交通电力技术的分类和原理

城市轨道交通电力技术有直流电力技术和交流电力技术两种。直流电力技术：直流电力技术是目前城市轨道交通系统中常用的一种电力技术。直流电力技术可采用第三轨供电、网式架空线供电和悬挂式架空线供电等多种形式。直流电力技术具有稳定性好、传输损耗小等优点，同时也有一些局限性，如电压、电流受限制较大，线路占用较多等。

交流电力技术：交流电力技术是近年来在城市轨道交通系统中逐渐得到应用的电力技术。与直流电力技术相比，交流电力技术具有电压和电流控制范围广、传输损耗小等优点。交流电力技术也可采用多种供电形式，如架空线供电、地下电缆供电等。但交流电力技术在电力变换和电力传输方面也存在一些技术难点需要解决。两种电力技术各有优劣，具体应用还需考虑具体情况。在实际应用中，城市轨道交通系统往往采用直流电力技术和交流电力技术相结合的方式，充分利用两种技术的优点，达到最佳的电力效果。

除此之外，还有集中式供电和分散式供电。城市轨道交通集中式供电是指在城市轨道交通系统中，通过集中供电方式为整个轨道交通系统提供电能。这种供电方式常采用架空电缆或第三轨供电方式。在集中式供电系统中，所有的动力设备（如牵引变压器、牵引电机等）都集中在供电系统的某个地方，通过电缆将电能输送到轨道交通线路的各个部分。这样做的好处是可以实现供电设备的集中管理和维护，同时也可提高供电系统的可靠性和稳定性。

分散式供电是指在城市轨道交通系统中，将供电设备分散安装在不同的位置，通过分布式供电方式为轨道交通系统提供电能。这种供电方式常采用接触网供电方式。在分散式供电系统中，每个区间或车站都有专门的供电设备，可独立地为该区间或车站提供电能。这样做的好处是可以减少输电距离，使供电系统更加稳定可靠。同时，也可以更加灵活地调整供电系统的负载和容量。

3.2 不同城市轨道交通车辆的电力技术选择

不同城市轨道交通车辆的电力技术选择，主要受以下几个因素的影响：地理环境。城市轨道交通车辆的电力技术选择与地理环境密切相关。例如，某些城市的地铁线路较长，需要采用能源利用率高、传输损耗小的电力技术，如高压直流技术。而一些城市的地铁线路较短，可以采用更为经济、简单的直流电力技术。

车辆类型。不同类型的城市轨道交通车辆，其电力技术的选择也不同。例如，地铁列车一般采用直流电力技术，而有轨电车则多采用交流电力技术。

牵引负载。不同城市轨道交通车辆的牵引负载也不同，其电力技术的选择也会受到影响。例如，不同列车密度牵引负荷不同，重载地铁车辆的牵引负载较大，需要采用电压和电流控制范围广、传输损耗小的交流电力技术。

技术发展。随着技术的不断进步，城市轨道交通车辆的电力技术也在不断更新换代。例如，当前越来越多的城市轨道交通车辆采用高压直流技术，以提高能源利用率和传输效率。

经济成本。城市轨道交通车辆的电力技术选择还需要考虑到经济成本。不同电力技术的投资和维护成本不同，需要根据具体情况进行综合考虑。

4 城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术的未来发展趋势

首先随着环保意识的不断增强，城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术将会越来越多地采用新能源技术，如太阳能、风能等。这些新能源技术可减少对传统能源的依赖，同时还可以减少对环境的污染。

其次高压直流技术的应用，高压直流技术可以提高能源传输的效率，并且可减少线路的占用面积，降低投资成本。将高压直流技术应用于城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术中，可以提高系统的稳定性和可靠性，同时还可以提高能源利用效率。还有无线电供电技术的应用，无线电供电技术可以减少地下管线的占用，提高城市轨道交通系统的空间利用效率。随着无线电供电技术的不断发展，其安全性和可靠性也得到了不断提高，未来有望在城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术中得到更广泛地应用。

此外，还有能量回收技术的应用，城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术未来还将继续推广能量回收技术。通过将制动能量回收并储存，可以提高能源利用效率，减少能源浪费，同时还可以降低列车制动时的噪声和振动。

最后智能化技术的应用，未来城市轨道交通系统的牵引供电及电力技术还将越来越智能化。通过集成智能化控制系统，可实现对供电系统的精细化管理，从而提高系统的运行效率和稳定性。同时，智能化技术还可实现对能源使用情况的实时监测和分析，为运营管理提供更加准确的数据支持。

综上所述，城市轨道交通的牵引供电及电力技术是其安全、高效和可靠性的重要技术支撑，不同的牵引供电和电力技术有不同的优缺点，应根据实际情况选择合适的技术。未来，城市轨道交通牵引供电及电力技术的发展方向是智能化、自动化和绿色化，需要不断推进技术创新和应用。因此，对城市轨道交通牵引供电及电力技术进行深入研究，有助于提高城市轨道交通的服务水平和运营质量，为城市发展和绿色出行做出贡献。